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利用紅外線傳感器實現接近感應應用

   2011年05月17日 15:42  
  在消費電子產品中,接近感應作為一種探測用戶身體或手部存在的方法,越來越為人們所接受。該技術也能夠用于動作感應,如檢測用戶手勢。用戶手勢作為一種輸入,可以應用于許多設備,如手機、計算機和其他家用電子產品。
  
  要理解動作感應系統設計的理論基礎,需要了解紅外線(IR)與可見光的差異,探討接近和動作感應系統如何在單一LED下運行,以及動作感應在使用多個LED進行多接近測量時如何工作。
  
  當我們談及“光”時,通常指的是來自太陽或燈具的可見光,然而,可見光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見光定義為人眼可以識別的所有光線,通常人眼可以識別的光線波長為380-750nm。那么,人眼無法識別的非可見光(如波長為850nm光)又如何呢?
  
  IR輻射光的波長為750nm-1000μm,IR光與可見光有著相同的特性,例如反射率,而且它可以通過特殊燈泡或發光二極管生成。因為人眼無法看到IR光,所以我們可以用它來完成一些特殊的人機界面任務,例如接近檢測,而無需用戶與系統進行任何直接接觸。
  
  IR接近傳感系統能夠檢測附近物體的存在,并根據檢測結果做出反應。IR接近檢測的應用無處不在。例如,手機可以使用接近傳感技術檢測通話時手機是否接近面部。當你把手機靠近耳邊時,手機將檢測到頭的存在,從而自動關閉屏幕以節省電能。其他接近感應系統的例子包括皂液器和飲水機,你可以把手放在傳感器附近(通常在皂液管或水附近),以“非接觸”而又衛生的方式獲取皂液或水。
  
  在汽車上,外部防碰撞系統也使用接近檢測,當汽車與其他汽車或者物體太靠近時,接近檢測會提醒司機注意。有些車輛還可以使用車內接近感應系統檢測乘客的存在,從而調整安全裝置(如安全氣囊)。接近檢測通過專門設計的IRLED實現。與IRLED相對應的是光電二極管,它一般用來檢測LED發出的IR光。當IRLED和光電二極管同方向放置時,光電二極管將不會檢測到任何IR光,除非有物體在LED的前面,將光反射回光電二極管。反射回光電二極管的光強與物體到光電二極管的距離逆向相關。
  
  圖1:一維空間動作檢測
  
  單一LED和光電二極管相結合可以檢測一些動作,例如可以檢測物體是否靠近或遠離光電二極管,這僅僅是一維空間檢測。假設一個系統,其布局如圖1所示,單一LED系統僅使用LED1與IR傳感器。圖2是三個手勢動作過程中SiliconLabsSi1120傳感器感應IRLED后的輸出值,其中Y軸是反射的IR光強,X軸是時間。三個手勢包括沿圖1X軸從左到右的滑動,沿Y軸從底部到頂部的滑動,以及沿Z軸由遠及近,然后由近及遠的往復動作。圖2表明,單一LED系統不能區分這些手勢,使用單一LED,系統只能檢測到物體正在接近或遠離傳感器,而不能判別其方向。
  
  圖2:單一LED系統性能分析
  
  二維空間檢測由位于不同位置的兩個LED和單個光電二極管組成。從LED1得到一個測量值,然后快速從LED2獲得另一個測量值,兩個測量值被用于計算二維空間上的物體位置。其中一維空間是接近LED1(左)或接近LED2(右),而另一維空間是接近或遠離光電二極管。圖3是與圖2相同的三個手勢,其中白線代表從LED1中讀出的數據,紅線代表從LED2讀出的數據。從左到右滑動過程中,白線上升,然后是紅線。當手從左到右滑動時,LED1反射IR光到傳感器,然后是LED2。

圖 3:二維空間中手勢性能分析
  
  三維空間動作檢測由三個LED和單個光電二極管組成。LED3與LED1、LED2不在同一直線上,如圖1所示,可以把LED1和LED2之間的連線看作X軸,LED1和LED3之間的連線看作Y軸,從光電二極管和LED到被測物體之間的連線看作Z軸。圖4顯示了與圖2和圖3相同的測量過程,其中藍線代表LED3的測量數據。當手從左向右滑動時,因為手在LED1和LED3上同時通過,LED1和LED3數據線同時上升,然后是LED2數據線。當手從底部向頂部滑動時,因為手先遇到來自LED3的IR光,LED3數據線上升,然后是LED1和LED2。當往復動作時,因為手在整個過程中都反射等量的LED光,三個LED測量值是相同的。
  
  圖4:加入LED3后,三維空間中動作性能分析
  
  當IRLED和IR傳感器應用于產品時,這些組件通常不會用作裝飾目的而放在外面,終端產品至少需要一個開口或透明窗口,讓IR光透過。
  
  IRLED從窗口中照射出,被外部物體反射后,通過窗口進入Si1120傳感器。單一窗口配置的主要缺點是:窗口將導致一些光線被內反射到Si1120,即使在檢測范圍內沒有外部物體時,大量反射光也可能導致傳感器輸出。
  
  雙窗口設計使用其中一個窗口用于IRLED,另一個窗口用于傳感器。通過在LED和傳感器之間進行適當的隔離,設計消除了內部反射的問題,為系統提供更好的敏感性和檢測范圍。
  
  對于IR接近感應系統設計而言,選擇何種IRLED是一項非常重要的決定。IRLED視角對zui大檢測距離和范圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個圓錐狀,圓錐頂角(大多數LED能量從這里輸出)被稱為LED視角。
  
  圖5:窄視角和寬視角IRLED的差異
  
  所有的LED都有一個特定的視角,一個窄視角LED意味著發出的能量更加集中,比寬視角LED照射的更遠。這意味著使用窄視角IRLED將在窄檢測區域中形成更遠的檢測范圍,圖5說明了窄視角和寬視角IRLED的差異。
  
  當設計IR系統時,系統中被測物體的特點也是需要重點考慮的。除了用于檢測手勢,IR接近感應系統也能被用于檢測無生命物體,如車庫門(打開或關閉)。檢測較大物體時,由于有更多的IR光被反射,檢測距離將更遠。物體的顏色是另一個需要考慮的因素,因為IR光與可見光有相同特性,淺色物體比深色物體反射更多光線。物體的顏色越深,越要接近IR系統,因為僅有來自IRLED的少量IR光被反射到IR傳感器。
  
  在消費電子、工業和汽車領域應用中,許多電子系統從非接觸式反射中受益。IR接近感應為需要檢測物體存在的系統提供了一個*方法。接近感應也可用于檢測zui多三維空間內的動作,甚至是手勢,使得下一代電子產品的人機界面更*、更直觀。

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